화학공학소재연구정보센터
  • 강레이저 펄스를 이용한 양자상태의 초고속 고효율 조작 성공등록일 : 2015/12/01
  • 나고야대학 대학원 이학연구과, 전기통신대학, 도야마대학, 이화학연구소와 고휘도광과학연구센터 등 연구팀은 타이완 Fu-Jen Catholic대학과 공동으로 초고속 2광자 라비진동의 관측에 성공하였다.

    이번에 연구그룹은 광강도에 의해 물질의 에너지 상태가 변화하는 것을 역수(逆手)로 취한 방법을 고안하여 초고속 라비진동을 2광자과정에서 발생한다는 것에 성공하였다. 일반적으로 물질의 양자상태는 광강도에 대해 복합한 변화를 나타내지만, ‘뤼드베리(Rydberg)’ 상태에서는 에너지가 광강도에 비례하여 변화하는 것으로 알려져 있다. 연구그룹은 이 단순한 규칙에 착안하여 이것을 이용한 공조에 의해 고효율 라비진동을 달성하였다.

    연구그룹은 헬륨원자를 대상으로 한 실증실험을 수행하였다. 2광자 과정에 필요한 강한 빛을 얻기 위해서는 레이저 광을 100마이크로미터 정도의 크기 스폿에 집광할 필요가 있다. 집광점 부근에서는 광강도가 일률적이지 않기 때문에 모든 영역에서의 신호를 측정하면 광강도 변화에 민감한 라비진동을 관측하는 것이 어렵게 된다. 연구그룹은 라비진동을 구동하는 근적외역 펨토초 레이저의 집점 중심부에 극자외 자유전자 레이저광을 이용하여 여기한 헬륨 원자를 준비하였다. 그리고 자기 보틀형 광전자분광기를 검출기로서 이용함으로써 거의 일정한 광강도의 영역에서의 신호만을 측정할 수 있도록 하였다.

    광전자 스펙트럼에 관측된 피크 중 1s6f 뤼드베리 상태로부터의 광전지 피크의 강도는 근적외 레이저 강도에 대해서 주기적인 변화를 나타내었다. 이 결과는 이론계산에서 잘 재현되었으며, 1s2p 및 1s6p 준위의 상태 분포는 라비진동에 특징적인 상호 역위상이 되는 주기적인 진동을 나타낸다는 것을 알았다. 라비진동의 주기는 23펨토초로 계산되어 종래와 비교하여 빠른 속도로 양자상태의 고효율 조작을 수행하는 것이 가능하게 되었다.

    이번에 규명된 2광자 라비진동의 구동법은 광강도에 의한 물질 에너지 상태변화를 이용한 간편한 방법을 이용하고 있으며, 복잡한 레이저 펄스를 준비할 필요가 없다. 이 광강도에 의해 물질 에너지 상태가 변하는 것은 보편적인 현상이기 때문에 본 방법은 헬륨원자 이외의 물질상태에 대해서도 널리 응용 가능하다고 생각된다. 또한 이 라비진동의 주기는 수십 펨토초이기 때문에 충돌 등에 의해 라비진동이 방해받기 전에 표적물질의 상태 조작을 완료시키는 것이 가능하게 된다. 따라서 본 방법은 실온에서 물질에 대해서도 적용할 수 있기 때문에 앞으로 광화학반응 및 광일렉트로닉스, 양자역학, 양자정보 등 기반기술로서의 응용이 기대된다.

    그림 1. 집점 부근에서 근적외 레이저 펄스의 광강도 분포
    그림 2. 강레이저장 공조와 2광자 라비진동의 개념도
    그림 3. (a) 헬륨원자의 에너지 준위도와 실험 스킴, (b) 1s6f 광전지 피크의 근적외 레이저 광강도 의존성 및 대응하는 이론계산 결과, (c) 이론계산에서 얻어진 1s2p 및 1s5f, 1s6f, 1s7f 준위의 상태분포의 광강도 의존성
  • 키워드 : 레이저, 양자, 라비
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑